一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器
阅读说明：本技术 一种基于ii类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器 (Infrared electric absorption modulator based on II-type broken band energy gap quantum well ) 是由 李俊 陈盟 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：一种基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器,涉及半导体光电子领域。包含(i)至少一个吸收调制区,吸收调制区包含单周期或多周期的II类断带能隙量子阱结构；(ii)对II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置；一个周期单元的II类断带能隙量子阱结构由第一势垒、电子势阱、空穴势阱和第二势垒组成,电子势阱和空穴势阱置于第一势垒和第二势垒之间且不依赖相对叠放次序,电子势阱的体材料导带带边的能量低于空穴势阱的体材料价带带边的能量。可采用波导耦合构型或垂直入射构型,以较小偏压摆幅获得较大消光比,调制效率高。可同时对横磁模极化的中红外光和横电模极化的远红外光进行调制。器件覆盖面较小,适于半导体芯片集成。(An infrared electric absorption modulator based on a II-type broken band energy gap quantum well relates to the field of semiconductor photoelectron. Comprises (i) at least one absorption modulation region comprising a single-period or multi-period class II band-break energy gap quantum well structure; (ii) means for providing a modulated bias to the class II bandgap quantum well structure; the type-II band-gap-breaking quantum well structure of one period unit comprises a first potential barrier, an electron potential well, a hole potential well and a second potential barrier, wherein the electron potential well and the hole potential well are arranged between the first potential barrier and the second potential barrier and do not depend on the relative stacking sequence, and the energy of a body material conduction band edge of the electron potential well is lower than the energy of a body material valence band edge of the hole potential well. The waveguide coupling configuration or the vertical incidence configuration can be adopted, a larger extinction ratio is obtained with a smaller bias swing, and the modulation efficiency is high. The medium infrared light polarized in transverse magnetic mode and the far infrared light polarized in transverse electric mode can be modulated simultaneously. The device coverage is small, and the device is suitable for semiconductor chip integration.)
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其是涉及一种工作在中红外或远红外波段的，能带反转偏压调控，高性能的一种基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器。
背景技术
电吸收调制器是一种独立于光源且能够对传输光的光强进行调制的光电器件。相比于利用光源的驱动电流对光强进行直接调制，基于电吸收调制器的外调制具有高速率、大消光比、低啁啾等优点，因而电吸收调制器已经成为现代高速光通信系统的核心组件之一。目前广泛应用的电吸收调制器主要基于I类半导体量子阱结构的量子限制斯塔克效应(参见专利US7142342B2)，其具有驱动电压小、调制速率高、易与半导体激光器单片集成等优点。由于低损耗光纤传输的需要，常规的光纤通信电吸收调制器常被设计工作在0.85μm、1.31μm和1.55μm等几个近红外光波段。
中红外波段(2.5～25μm)是电磁波谱的一个重要波段，其不仅可用于特定分子的检测，还在传感、环境监测、生物医学、热成像等领域具有广泛的应用。此外，中红外材料在现代军事防御、光电对抗和自由空间光通信等技术中也具有十分重要的价值。近年来，随着中红外量子级联激光器和带间级联激光器的持续进步和成熟，大量中红外光电子技术得以快速发展。其中，中红外自由空间光通信(free-space optical communications)[参见文献Alexandre Delga,Luc Leviandier,"Free-space optical communications withquantum cascade lasers,"Proc.SPIE 10926,Quantum Sensing and Nano Electronicsand Photonics XVI,1092617(2019)]的巨大潜力也逐渐被人们所认识和重视：中红外自由空间光通信以空气为传输介质，信号波长选择在“低吸收大气窗口”3～5μm和8～14μm范围内，因而无需以光纤作为介质，具有可快速安装、成本低廉且“人眼安全”的优点；相比于用近红外光作载波，中红外自由空间光通信受烟雾、雨滴、尘埃、空气湍流等的影响更小，因而在空气中传输距离更远，对复杂天气条件耐受度更高；而相比于无线射频通信，中红外自由空间光通信的带宽更宽，理想的目标通信带宽可达40～50GHz，且其具有点对点信号传输的特性，因而数据难以被截获，具有抗电磁干扰、高安全度、能耗低、体积小等优点。因此，中红外自由空间光通信在带宽容量、传输距离、设备成本和可获性这四个维度具有综合的最佳优势，有望成为具有广泛应用前景的新一代通信技术。
目前，研究者在实验室中已成功实现数据传输速率在70Mb/s至3Gb/s之间的中红外自由空间光通信链路，但所实现的通信链路仍基于对中红外激光器的直接调制，最高带宽仅达330MHz[Jony J.Liu,et al.,"Mid and long-wave infrared free-space opticalcommunication,"Proc.SPIE 11133,Laser Communication and Propagation throughthe Atmosphere and Oceans VIII,1113302(2019)]。显然，这离中红外自由空间光通信40～50GHz的理想目标带宽尚存在巨大的提升空间。尽管直接调制是光通信编码最简单的方式，但其调制带宽受到激光器工作电流弛豫的制约，只能实现较低速的信号传输。正如基于外调制的半导体电吸收调制器是高速光纤通信必备器件一样，高性能、可集成且工作在中红外波段的电吸收调制器也是实现高速中红外自由空间光通信不可或缺的重要器件。然而，由于常规的电吸收调制器通常使用III-V族I类半导体量子阱制备(专利US7142342B2和EP0809129A2)，而大部分III-V族半导体材料的能隙处于近红外或可见光范围，故而它们不能被用于中远红外光的调制。另一方面，除上世纪90年代有少量基于量子阱子带跃迁的中红外调制器研究之外，近年来仅有一部分基于石墨烯-金属等离子体，或铌酸锂波导等的中红外调制器的报道，但它们因不易制备、与激光器不兼容等原因均未能被实际应用。由此可见，目前能够实际应用于自由空间光通信的中红外调制器其实是相对缺乏的，尤其是亟待发展能够与量子级联激光器或带间级联激光器兼容的高性能中红外电吸收调制器。
近十多年来，AlSb/InAs/GaSb/AlSb量子阱作为一种II类断带能隙量子阱(type-II broken-gap quantum wells)结构，引起研究者的持续关注。该量子阱的独特性质在于InAs的导带低于GaSb的价带，形成II类断带能隙带对准(type-II broken-gapbandalignment)；在AlSb势垒层的限制下，量子阱中的电子和空穴被分别限制在InAs和GaSb层中，形成空间分离的二维电子气和二维空穴气。当InAs或GaSb层的厚度大于某个临界值时，量子阱具有为反转带隙相，并在有限波矢处打开一个由电子-空穴杂化导致的微能隙，此时体系处于二维拓扑绝缘体相，表现出量子自旋霍尔效应[Chaoxing Liuet al.,"QuantumSpin Hall Effect in Inverted Type-II Semiconductors,"Phys.Rev.Lett.100,236601(2008)；和Knez,I.,Du,R.&Sullivan,G.,"Evidence for Helical Edge Modes inInverted InAs/GaSb Quantum Wells,"Phys.Rev.Lett.107,136603(2011)]。此外，研究者们还发现可以用电场调控AlSb/InAs/GaSb/AlSb量子阱在正常带隙相和反转带隙相间转变[Qu,F.et al.Electric and Magnetic Tuning Between the Trivial and TopologicalPhases in InAs/GaSb Double Quantum Wells.Phys.Rev.Lett.115,036803(2015)]，同时该量子阱中还存在多种有趣的量子现象，例如螺旋Luttinger液体，激子绝缘体相和反常磁输运振荡等等。而另一方面，组成该II类断带能隙量子阱的材料属于锑化物半导体家族，是一类重要的中红外材料，且该材料体系已被成功用于制备中红外光电探测器、量子级联激光器和带间级联激光器等多种中红外器件。由此可见，如果能对II类断带能隙量子阱结构丰富且可调控的物理性质善加利用，无疑将有望实现新型的高性能中红外光电器件。
发明内容
本发明的目的在于针对现有可用于中红外自由空间光通信的电吸收调制器较为缺乏等问题，提供可同时工作在中红外或远红外波段，具有高消光比、低驱动电压、低功耗、高调制效率、体积小和与锑化物基量子级联激光器和带间级联激光器兼容等优点的一种基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器。
本发明的另一目的在于提供基于偏压调控能带反转原理，高效率的一种对选定光的电光调制方法。
所述基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，包含：(i)至少一个吸收调制区，吸收调制区包含单周期或多周期的II类断带能隙量子阱结构；(ii)对II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置，用于产生垂直于II类断带能隙量子阱结构材料层所在平面的电场；
一个周期单元的所述II类断带能隙量子阱结构，由第一势垒、电子势阱、空穴势阱和第二势垒组成，所述电子势阱和空穴势阱置于第一势垒和第二势垒之间且不依赖相对叠放次序；
所述电子势阱与空穴势阱相邻，电子势阱的体材料导带带边Ec的能量低于空穴势阱的体材料价带带边Ev的能量，形成II类断带能隙异质结；
所述第一势垒和第二势垒对电子势阱和空穴势阱中的电子态波函数和空穴态波函数形成量子限制，导带最低子带带底的电子态波函数主体限制在电子势阱中，价带最高子带带顶的空穴态波函数主体限制在空穴势阱中；
当在II类断带能隙量子阱结构两端施加开态偏压时，量子阱处于正常带隙相，电子势阱的导带最低子带的带底在能量上高于空穴势阱最高价带子带的带顶；
当在II类断带能隙量子阱结构两端施加关态偏压时，量子阱处于反转带隙相，电子势阱的导带最低子带的带底在能量上低于空穴势阱最高价带子带的带顶。
所述II类断带能隙量子阱结构的电子势阱的材料可选自InAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsSb等中的至少一种；空穴势阱的材料可选自GaSb、GaInSb、GaAlSb、GaAsSb、GaAlAsSb、GaInAsSb、GaAlInSb、GaAlInAsSb等中的至少一种；第一势垒、第二势垒的材料可选自AlSb、AlGaSb、AlGaAsSb、AlInSb、AlGaInSb、AlInAsSb、AlGaInAsSb等中的至少一种。
所述基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器可采用波导耦合构型或垂直入射构型。
所述波导耦合构型具有波导结构，至少包含：基底层；在基底层上侧依次设有第一包覆层、波导芯层和第二包覆层；在基底层下侧或第一包覆层经刻蚀露出的台面上侧设有第一接触电极；在第二包覆层上侧设有第二接触电极；所述波导芯层中包含至少一个吸收调制区；第一包覆层和第二包覆层分别采用重摻杂半导体材料或多层结构；第一接触电极和第二接触电极分别通过第一包覆层和第二包覆层对吸收调制区施加偏压，构成所述对II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置。
优选的，所述波导芯层可采用分别限制结构，还包含第一分别限制层和第二分别限制层；所述第一分别限制层和第二分别限制层为掺杂半导体材料或多层结构，分别与吸收调制区的下界面和上界面相邻，第一分别限制层和第二分别限制层的光学折射率大于第一包覆层和第二包覆层的光学折射率。
优选的，所述基底层还包含衬底和缓冲层，所述缓冲层的厚度不低于200nm，用于释放应变、隔绝位错和杂质，以减小衬底对器件的影响。
优选的，所述第一包覆层的下界面和上界面处分别设置第一过渡层和第二过渡层，第二包覆层的下界面和上界面处分别设置第三过渡层和第四过渡层，过渡层用于减小因相邻区域层界面突变带来的寄生电压降；过渡层的摻杂浓度分别介于其两侧相邻材料的摻杂浓度之间。
所述垂直入射构型是光垂直于吸收调制区的材料层所在平面入射，垂直入射构型至少包含：底包覆层、吸收调制区、顶包覆层、底电极和顶电极；
所述底包覆层和顶包覆层为摻杂半导体材料或多层结构；吸收调制区置于底包覆层和顶包覆层之间；底电极为透明电极或光栅电极或开有透光窗口，底电极设置在底包覆层经刻蚀的露出台面上侧并形成电学接触；顶电极为透明电极或光栅电极或开有透光窗口，顶电极设置在顶包覆层上侧并形成电学接触；底电极和顶电极分别通过底包覆层和顶包覆层对吸收调制区施加偏压，构成对所述II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置。
优选的，所述底包覆层下侧设有底高反射膜，或顶包覆层上侧的顶电极的透光窗口区域内设有顶高反射膜，或同时设有底高反射膜和顶高反射膜；底高反射膜和顶高反射膜分别由多个介质层交替堆叠形成的分布布拉格反射器(distributed Bragg reflector)或金属薄膜构成，形成具有对称或非对称的法布里-珀罗腔(Fabry–Pérot cavity)结构。
优选的，所述底高反射膜、顶高反射膜、底包覆层或顶包覆层中至少一层的上侧或下侧可设置金属条光栅，用于增加入射光的垂直电场分量与吸收调制区的耦合，光栅周期小于或等于红外电吸收调制器的选定工作波长。
所述对选定光的电光调制方法，包括以下步骤：
1)将一个电吸收调制器或电光调制器置于选定光的传播路径上，其中所述电吸收调制器或电光调制器的调制区需包含具有如下特征的半导体单层或多层结构：
a.所述半导体单层或多层结构的能带结构具有导带和价带，所述导带带底的电子态和价带带顶的空穴态分别属于该体系哈密顿量性质不同的本征态，可通过导带带底电子态和价带带顶的空穴态的性质区分导带和价带；
b.所述半导体单层或多层结构存在正常带隙相，导带底的能量高于价带顶的能量；
c.所述半导体单层或多层结构存在反转带隙相，导带底的能量低于价带顶的能量；
d.通过改变施加在所述半导体单层或多层结构上的偏压，使所述半导体单层或多层结构由正常带隙相转变为反转带隙相；
e.所述半导体单层或多层结构在正常带隙相和反转带隙相时对选定光具有显著不同的吸收率或折射率；
2)通过对电吸收调制器或电光调制器的调制区施加偏压，使得步骤1)中半导体材料或多层结构处于所述正常带隙相；
3)改变步骤2)中所述的偏压，使得步骤1)中所述半导体单层或多层结构处于反转带隙相；
4)重复步骤2)和3)，缩小满足步骤2)和步骤3)中所需偏压的差值，找到发生正常带隙相到反转带隙相转变的临界偏压；
5)将开态偏压设置在步骤4)中找到的临界偏压附近，稍偏离临界偏压且使半导体单层或多层结构恰好处于正常带隙相；
6)设置好步骤5)中开态偏压后，改变施加在半导体单层或多层结构上的偏压，即可使所述半导体单层或多层结构发生正常带隙相到所述反转带隙相的转变，达到关态；正常带隙相到反转带隙相的转变导致半导体单层或多层结构的吸收率或折射率发生显著变化；从而实现以相对小的偏压摆幅使选定光的强度或相位获得较显著的调制。
从上述技术方案来看，本发明具有以下有益效果：
1、可将开态和关态偏压均设置在所述II类断带能隙量子阱的临界电压附近，使开态和关态偏压相对差值较小，从而能够以较小的偏压摆幅获得较大的消光比，具有较高的调制效率。理论计算表明，对于优选的所述基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其低温调制效率可达数倍于常规的光纤通信近红外电吸收调制器的调制效率，此外还具有高消光比、低驱动电压、低动态功耗、高调制带宽-驱动电压比等优点。而在常温下，本发明的电吸收调制器的各项性能指标也与常规的光纤通信电吸收调制器相当。
2、本发明的红外电吸收调制器基于对导带子带间跃迁和价带子带间跃迁的能带反转偏压调控，因而可同时对横磁模(TM)极化的中红外光和横电模(TE)极化的远红外光进行调制。
3、本发明的红外电吸收调制器的典型调制区尺寸为：长20～200μm，宽5～15μm，因而器件覆盖面较小，适于半导体芯片集成。
4、本发明的红外电吸收调制器的材料属于锑化物半导体家族，与锑化物基红外量子级联激光器和带间级联器兼容，因而易于实现与上述激光器的无工艺障碍集成。
附图说明
图1为施加不同偏压时一个周期单元的II类断带能隙量子阱在实空间中的能带轮廓和波函数分布示意图。其中，(a)为施加偏压Von时，II类断带能隙量子阱处于正常带隙相；(b)为施加偏压Voff时，II类断带能隙量子阱处于反转带隙相。
图2为一个优选的II类断带能隙量子阱的动量空间能带色散曲线示意图。其中，(a)为该量子阱处于正常带隙相，(b)为该量子阱处于反常带隙相。
图3为本发明的红外电吸收调制器采用波导耦合构型实施方式的示意图；
图4为本发明的红外电吸收调制器采用垂直入射构型实施方式及其立剖面的示意图；
图5为本发明一个优选实施例的一个周期单元的AlSb/InAs/GaSb/AlSbII类断带能隙量子阱在不同偏压下的横磁模(TM)光吸收系数谱；
图6为本发明一个优选实施例的一个周期单元的AlSb/InAs/GaSb/AlSbII类断带能隙量子阱在不同偏压下的横电模(TE)光吸收系数谱；
图7为本发明一个优选实施例的不同波长横磁模(TM)极化中红外光的消光比随驱动电压的变化关系。
图8为本发明一个优选实施例的不同波长横电模(TE)极化远红外光的消光比随驱动电压的变化关系。
图中，各标记为：
100—吸收调制区，101—第一势垒，102—电子势阱，103—空穴势阱，104—第二势垒；Ec—体材料导带带边，Ev—体材料价带带边，EF—费米能级，E1(Γ)—导带最低子带E1带底，E2(Γ)—导带第二子带E2带底，HH1(Γ)—价带最高子带HH1带顶，HH2(Γ)—价带第二子带HH2带顶，—子带E1带底的电子态波函数，—子带HH1带顶的空穴态波函数，Von—开态偏压，Voff—关态偏压；
E1—导带最低子带，E2—导带第二子带，HH1—价带最高子带，HH2—价带第二子带；
300—基底层，310—第一包覆层，320—波导芯层，330—第二包覆层，340—第一接触电极，350—第二接触电极，321—第一分别限制层，322—第二分别限制层，301—衬底，302—缓冲层，311—第一过渡层，312—第二过渡层，331—第三过渡层，332—第四过渡层；
410—底包覆层，420—顶包覆层，430—底电极，440—顶电极，450—底高反射膜，460—顶高反射膜，470—金属条光栅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，在附图中，为使本方案清楚表示，放大层和区域的厚度，作为示意图不应该被认为严格反应几何尺寸以及各层之间的比例关系；所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的箱体或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
所述基于II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，包含：(i)至少一个吸收调制区100，吸收调制区100包含单周期或多周期的II类断带能隙量子阱结构；(ii)对所述II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置，用于产生垂直于II类断带能隙量子阱结构材料层所在平面的电场。
如图1所示，一个周期单元的所述II类断带能隙量子阱结构由第一势垒101、电子势阱102、空穴势阱103和第二势垒104组成，其中电子势阱102和空穴势阱103置于第一势垒101和第二势垒104之间且不依赖相对叠放次序；
电子势阱102与空穴势阱103相邻，电子势阱102的体材料导带带边Ec的能量低于空穴势阱103的体材料价带带边Ev的能量，从而形成II类断带能隙异质结；
第一势垒101和第二势垒104对电子势阱102和空穴势阱103中的电子态波函数和空穴态波函数形成量子限制，其中导带最低子带E1带底的电子态波函数主要限制在电子势阱102中，价带最高子带HH1带顶的空穴态波函数主要限制在空穴势阱103中；
当在所述II类断带能隙量子阱结构两端施加特定偏压Von时，量子阱可处于正常带隙相，其特征是电子势阱102的导带最低子带E1的带底E1(Γ)在能量上高于空穴势阱103最高价带子带HH1的带顶HH1(Γ)[参见图1中的(a)图]，正常带隙相的动量空间能带色散曲线参见图2中的(a)图；
当在所述II类断带能隙量子阱结构两端施加特定偏压Voff(Voff≠Von)时，量子阱可处于反转带隙相，其特征是电子势阱102的导带最低子带E1的带底E1(Γ)在能量上低于空穴势阱103最高价带子带HH1的带顶HH1(Γ)[参见图1中的(b)图]，反转带隙相的动量空间能带色散曲线参见图2中的(b)图。
作为优选，通常将AlSb/InAs/GaSb/AlSb量子阱作为所述II类断带能隙量子阱结构的一个典型示例。但应当理解，所述II类断带能隙量子阱结构的第一势垒101、电子势阱102、空穴势阱103和第二势垒104均可使用相似特性的材料作替换，故只须满足上述a)～e)特征，也应被认为属于所述II类断带能隙量子阱结构。
进一步，所述II类断带能隙量子阱结构的电子势阱102的材料从InAs，InAsSb，InGaAs，InGaAsSb中选择一种或多种混合；空穴势阱103的材料从GaSb，GaInSb，GaAlSb，GaAsSb，GaAlAsSb，GaInAsSb，GaAlInSb，GaAlInAsSb中选择一种或多种混合；第一势垒101、第二势垒104的材料分别从AlSb，AlGaSb，AlGaAsSb，AlInSb，AlGaInSb，AlInAsSb，AlGaInAsSb中选择一种或多种混合；所选择的第一势垒101、电子势阱102、空穴势阱103和第二势垒104需满足上述II类断带能隙量子阱结构的特征a)～e)。
根据本发明提供的一种基于II类断带能隙量子阱结构的红外电吸收调制器的特点，本发明还提供一种对选定光的基于偏压调控能带反转原理的高效率电光调制方法，其步骤如下：
1)将一个电吸收调制器或电光调制器置于所述选定光的传播路径上，其中所述电吸收调制器或电光调制器的调制区需包含具有如下特征的半导体单层或多层结构：
a.所述半导体材料或多层结构的能带结构具有导带和价带，所述导带带底的电子态和价带带顶的电子态分别属于该体系哈密顿量性质不同的本征态，可通过导带带底电子态和价带带顶电子态的性质区分导带和价带；以图1所示的II类断带能隙量子阱结构作为实施例，其具有导带最低子带E1和价带最高子带HH1，子带E1带底的电子态波函数和子带HH1带顶的空穴态波函数分别主要分布在电子势阱(102)和空穴势阱(103)中，可以由上述分布特征来区分导带最低子带E1和价带最高子带HH1；
b.所述半导体材料或多层结构存在正常带隙相，其特征是导带底的能量高于价带顶的能量；例如，以图1中的(a)图所示的II类断带能隙量子阱结构实施例，其导带最低子带E1带底E1(Γ)的能量高于价带最高子带HH1带顶HH1(Γ)的能量，其处于正常带隙相。
c.所述半导体材料或多层结构存在反转带隙相，其特征是导带底的能量低于价带顶的能量；例如，以图1中的(b)图所示的II类断带能隙量子阱结构实施例，其导带最低子带E1带底E1(Γ)的能量低于价带最高子带HH1带顶HH1(Γ)的能量，其处于反转带隙相；
d.可以通过改变施加在所述半导体材料或多层结构上的偏压，使其由所述正常带隙相转变为所述反转带隙相；例如，以图1所示一个周期单元的II类断带能隙量子阱结构作为实施例，对其施加偏压由Von变为Voff时，该量子阱将发生由正常带隙相向反转带隙相的转变；
e.所述半导体材料或多层结构在所述正常带隙相和所述反转带隙相时对所述选定光具有显著不同的吸收率或折射率；例如，以图1所示的II类断带能隙量子阱结构作为实施例：在图1中(a)图所示的正常带隙相时，由于费米能级EF低于导带最低子带E1带底E1(Γ)且高于价带最高子带HH1带顶HH1(Γ)，导带最低子带E1和价带最高子带HH1均不被填充，子带间跃迁被禁止，光吸收较弱；在图1中的(b)图所示的反转带隙相时，由于费米能级EF高于导带最低子带E1带底E1(Γ)且低于价带最高子带HH1带顶HH1(Γ)，导带最低子带E1和价带最高子带HH1分布被电子和空穴填充，导带子带间跃迁E1-E2和价带子带间跃迁HH1-HH2均被允许，导致符合对应跃迁规则的光的吸收率显著增大；
2)通过对所述电吸收调制器或电光调制器的调制区施加偏压，使得步骤1)中所述半导体材料或多层结构处于所述正常带隙相；
3)改变步骤2)中所述的偏压，使得步骤1)中所述半导体材料或多层结构处于所述反转带隙相；
4)重复步骤2)和3)，缩小满足步骤2)和步骤3)中所需偏压的差值，可以找到发生所述正常带隙相到反转带隙相转变的临界偏压；
5)将开态偏压设置在步骤4)中找到的临界偏压附近，稍偏离临界偏压且使所述半导体材料或多层结构恰好处于所述正常带隙相；
6)设置好步骤5)中所述开态偏压后，只需稍微改变施加在所述半导体材料或多层结构上的偏压，即可使其发生所述正常带隙相到所述反转带隙相的转变，达到关态；又根据步骤1)的e，所述正常带隙相到反转带隙相的转变，必然伴随所述半导体材料或多层结构的吸收率或折射率发生显著变化；因此，以上步骤可实现以相对小的偏压摆幅使所述选定光的强度或相位获得较显著的调制。
显然，上述电光调制方法适用于本发明的基于II类断带能隙量子阱结构的红外电吸收调制器。但应当指出，上述的电光调制方法并不局限于本发明的红外电吸收调制器，凡具有步骤1)所述的a)～e)特征的电吸收调制器或电光调制器，(例如包含具有偏压调控拓扑能带反转性质的拓扑绝缘体的电吸收调制器或电光调制器)，均可使用上述方法进行高效电光调制。
以下给出具体实施例，但本发明不局限于以下实施例的构型。
实施例1
采用如图3所示的波导耦合构型，具有波导结构，至少包含：基底层300；在基底层300上侧依次设有第一包覆层310、波导芯层320、第二包覆层330；在基底层300下侧或第一包覆层310经刻蚀露出的台面上侧设有第一接触电极340并与形成电学接触；在第二包覆层330上侧设有第二接触电极350并形成电学接触；其中，波导芯层320中包含至少一个吸收调制区100；第一包覆层310和第二包覆层330分别采用重摻杂半导体材料或多层结构；第一接触电极340和第二接触电极350分别通过第一包覆层310和第二包覆层330对吸收调制区100施加偏压，构成所述对II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置。
波导芯层320采用分别限制结构，还包含第一分别限制层321和第二分别限制层322；所述第一分别限制层321和第二分别限制层322为掺杂半导体材料或多层结构，分别与吸收调制区100的下界面和上界面相邻，其特征在于其光学折射率大于第一包覆层310和第二包覆层330的光学折射率。
基底层300还包含衬底301和缓冲层302，其中：缓冲层302厚度不低于200nm，其作用是释放应变、隔绝位错和杂质，以减小衬底301对器件的影响。
为减小因相邻区域层界面突变带来的寄生电压降，可在第一包覆层310中的下界面和上界面处分别设置第一过渡层311和第二过渡层312，在第二包覆层330的下界面和上界面处分别设置第三过渡层331和第四过渡层332，所述过渡层的特征是其摻杂浓度分别介于其两侧相邻材料的摻杂浓度之间。
衬底301具体采用n型GaSb衬底；
缓冲层302，采用n型GaSb材料，摻杂浓度在1×1017cm-3～2×1018cm-3区间，厚度在0.2～1.5μm区间；
第一包覆层310，采用重摻杂n型InAs/AlSb短周期超晶格或AlGaAsSb合金材料，其折射率在3.20～3.40区间，摻杂浓度在0.1×1019cm-3～1.5×1019cm-3区间，厚度在1～5μm区间；
第一分别限制层321，采用n型GaSb材料，其折射率在3.70～3.90区间，摻杂浓度在0.5×1017cm-3～2×1017cm-3区间，厚度在0.5～2μm区间；
吸收调制区100，采用1～15周期的II类断带能隙量子阱，其中：第一势垒101和第二势垒104采用AlSb或AlGaSb材料，厚度在5～50nm区间；电子势垒102采用InAs材料，厚度在3～20nm区间；空穴势垒103采用GaSb材料，厚度在3～20nm区间；
第二分别限制层322，采用n型GaSb材料，其折射率在3.70～3.90区间，摻杂浓度在0.5×1017cm-3～2×1017cm-3区间，厚度在0.5～2μm区间；
第二包覆层330，采用重摻杂n型InAs/AlSb短周期超晶格或AlGaAsSb合金材料，其折射率在3.20～3.40区间，摻杂浓度为0.1×1019cm-3～1.5×1019cm-3区间，厚度在0.5～3μm区间；
第一接触电极340，形成于衬底301下侧，采用Ti、Pt、Au、Ag、Cu等金属材料或它们的合金；
第二接触电极350，形成于第一包覆层310之上，包括帽层和其上设置的金属电极，其中帽层采用重摻杂n型InAs/AlSb短周期超晶格或重摻杂n型InAs材料，其摻杂浓度大于1.0×1019cm-3，厚度在0.1～0.5μm区间；金属电极采用Ti、Pt、Au、Ag、Cu等金属材料或它们的合金；
作为进一步优选，可在第一包覆层310的下界面和上界面处分别插入第一过渡层311和第二过渡层312，在所述第二包覆层330的下界面和上界面处分别插入第三过渡层331和第四过渡层332；第一过渡层311，第二过渡层312，第三过渡层331，第四过渡层332均可采用n型摻杂的InAs/AlSb短周期超晶格，其摻杂浓度介于与其相邻的两侧材料的摻杂浓度之间，其典型值在1×1017cm-3～5×1018cm-3区间；
通过标准的光刻工艺，可使本实施例具有如图1所示的脊型波导结构，其波导宽度w在3～15μm区间，调制长度由第一接触电极340的覆盖长度L决定，典型的L值在20～200μm区间。
通过八带k·p有效质量模型与泊松方程的联立自洽计算，图5和6分别给出其一个周期单元的AlSb/InAs/GaSb/AlSbII类断带能隙量子阱在不同偏压下的横磁模(TM)和横电模(TE)光吸收系数谱。可以看到，随着反向偏压(V＜0)的幅值增加至II类断带能隙量子阱发生能带反转时，横磁模(TM)的光吸收系数谱在中红外波段出现一个窄而强的吸收峰，其对应E1-E2的子带间跃迁，参见图5；同时，光吸收系数谱的远红外波段出现一个较宽的横电模(TE)吸收峰，其对应HH1-HH2和HH1到其他子带的跃迁，参见图6。可见，若将红外电吸收调制器的工作波长设定在吸收峰区域，可通过施加偏压对该波长的光进行有效调制。
根据本发明的基于偏压调控能带反转原理的高效率电光调制方法，可将图5和6中的优选实施例的红外电吸收调制器的开态偏压Von设置在其II类断带能隙量子阱能带反转的临界偏压附近，且恰好使其处于正常带隙相，例如设置Von＝-0.30V。此时，只需稍微改变偏压，例如令偏压V→-0.35V，即可使其II类断带能隙量子阱的能带发生反转，此时光吸收系数谱将在特定波长处出现子带跃迁吸收峰。若继续增大反向偏压，吸收峰将显著增强。可将所述红外电吸收调制器的关态偏压Voff设置在使工作波长的光达到设计要求的消光比所需的偏压处。
对于波导耦合构型的电吸收调制器，其消光比ER可由下式计算：
其中，Ion和Ioff分别是电吸收调制器开态和关态的出射光强，Γ是波导的耦合限制因子，α(V)是被调制光的吸收系数随偏压的变化函数，L是波导调制长度。对于具有单周期II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其波导光限制因子为Γ＝Γsp≈0.02，其驱动电压为对于具有N个周期II类断带能隙量子阱的红外电吸收调制器，其波导耦合限制因子可近似为Γ≈NΓsp，而其驱动电压近似为图7和8中分别给出一个优选实施例的不同波长的横磁模(TM)极化中红外光和横电模(TE)极化远红外光的消光比随驱动电压的变化关系，该实施例具有波导耦合构型，波导调制长度L＝100μm，具有N＝4个周期AlSb/InAs/GaSb/AlSbII类断带能隙量子阱。从图7和8可以看到，对于子带跃迁吸收峰附近对应波长的光，例如4.46μm的中红外横磁模(TM)偏振光和22.5～62.0μm的远红外横电模(TE)偏振光，分别仅需约0.3V和0.65V即可实现消光比达20dB的高效率电吸收调制。此外，低的驱动电压和小的器件覆盖尺寸还将使该实施例具有低动态功耗、高调制带宽等优势。
实施例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，衬底301采用n型GaAs衬底；而缓冲层302采用n型AlGaSb材料，摻杂浓度在1×1017cm-3～2×1018cm-3区间，厚度在0.5～3μm区间。
实施例2的优点在于采用较常见的GaAs衬底，制备成本相对较低，且制备工艺较成熟，便于实现光互联集成。
实施例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，其中：
衬底301采用n型InAs衬底；
缓冲层302，采用n型InAs材料，摻杂浓度在1×1017cm-3～2×1018cm-3区间，厚度在0.2～1.5μm区间；
第一包覆层310，其折射率设计在2.80～3.10区间，采用重摻杂n型InAs材料，摻杂浓度在0.5×1019cm-3～2×1019cm-3区间，厚度在1～4μm区间；
第一分别限制层321，其折射率设计在3.20～3.60区间，采用n型InAs材料，摻杂浓度在0.1×1017cm-3～5×1017cm-3区间，厚度在0.5～3μm区间；
第二分别限制层322，其折射率设计在3.20～3.60区间，采用n型InAs材料，摻杂浓度在0.1×1017cm-3～5×1017cm-3区间，厚度在0.5～3μm区间；
第二包覆层330，其折射率设计在2.80～3.10区间，采用重摻杂n型InAs材料，摻杂浓度在0.5×1019cm-3～2×1019cm-3区间，厚度在0.5～2μm区间；
第二接触电极350，其重摻杂帽层采用重摻杂n型InAs材料，其摻杂浓度大于1×1019cm-3，厚度在0.1～0.5μm区间；
实施例3的优点在于采用InAs衬底，具有较高的迁移率和热导率，易于实现超高速且散热良好的红外电吸收调制器。
实施例4
采用如图4所示的垂直入射构型，光垂直于吸收调制区100的材料层所在平面入射，至少包含：底包覆层410、吸收调制区100、顶包覆层420、底电极430、顶电极440；
其中，底包覆层410和顶包覆层420为摻杂半导体材料或多层结构；吸收调制区100置于底包覆层410和顶包覆层420之间；底电极430为透明电极或光栅电极或开有透光窗口，设置在底包覆层410经刻蚀的露出台面上侧并形成电学接触；顶电极440为透明电极或光栅电极或开有透光窗口，设置在顶包覆层420上侧并形成电学接触；底电极430和顶电极440分别通过底包覆层410和顶包覆层420对吸收调制区100施加偏压，构成对所述II类断带能隙量子阱结构提供调制偏压的装置。
具有对称或非对称的法布里-珀罗腔(Fabry–Pérot cavity)结构：在底包覆层410下侧设有底高反射膜450，或在顶包覆层420上侧的顶电极440的透光窗口区域内设有顶高反射膜460，或同时设有底高反射膜450和顶高反射膜460；底高反射膜450和顶高反射膜460分别由多个介质层交替堆叠形成的分布布拉格反射器(distributed Bragg reflector)或金属薄膜构成；
为增加入射光的垂直电场分量与所述吸收调制区100的耦合，在底高反射膜450、顶高反射膜460、底包覆层410和顶包覆层420其中的一层或多层的上侧或下侧设置金属条光栅470，光栅周期小于或等于本发明所述的红外电吸收调制器的选定工作波长。
底包覆层410，采用重摻杂n型InAs材料或n型InAs/AlSb短周期超晶格，摻杂浓度在0.1×1019cm-3～2×1019cm-3区间，厚度在0.1～1μm区间；
吸收调制区100，采用1～40周期的II类断带能隙量子阱，其中：第一势垒101和第二势垒104采用AlSb材料,厚度在5～50nm区间；电子势垒102采用InAs材料，厚度在3～20nm区间；空穴势垒103采用GaSb材料，厚度在3～20nm区间；
顶包覆层420，采用重摻杂n型InAs材料或n型InAs/AlSb短周期超晶格，摻杂浓度在0.1×1019cm-3～2×1019cm-3区间，厚度在0.1～1μm区间；
顶电极440，形成于顶包覆层420之上，采用Ti、Pt、Au、Ag、Cu等金属材料或它们的合金，并开有透光窗口；
在所述底包覆层410下侧设有底高反射膜450；底高反射膜450采用由4～30对厚度为1/4波长的GaSb和AlAsSb交替堆叠构成的分布布拉格反射器；
可选的，在顶包覆层420上侧的所述顶电极440的所述透光窗口之内、设置顶高反射膜460；顶高反射膜460采用由4～6对厚度为1/4波长的Ge和Al2O3交替堆叠构成的分布布拉格反射器；在顶高反射膜460之上设置金属条光栅470，光栅周期在0.5～3μm区间；
可选的，对于不采用顶高反射膜460的设计，可在所述顶电极440的所述透光窗口之内、顶包覆层420之上设置金属条光栅470，其光栅周期在0.5～3μm区间；
通过标准的光刻工艺，可使底包覆层410以上的结构形成如图4所示的台面；在底包覆层410之上，绕形成的所述台面设置底电极430，以形成所述透光窗口；底电极430采用Ti、Pt、Au、Ag、Cu等金属材料或它们的合金。
根据本实施例的垂直入射构型，光可从顶高反射膜460自上而下垂直入射，也可从底高反射膜450自下而上垂直入射；其器件结构可在半导体衬底上制备，也可直接形成于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的出射面之上，从而实现与垂直腔面发射激光器的集成。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
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